Antenna (fisica)

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Le antenne sono dispositivi in grado di irradiare o captare. Più precisamente si tratta di trasduttori in grado di trasformare un campo elettromagnetico captato in un segnale elettrico, oppure di irradiare, sotto forma di campo elettromagnetico, il segnale elettrico con il quale vengono alimentati.

Le antenne possono, se alimentate da un segnale elettrico ai loro capi, assorbirne l'energia per restituirla nello spazio circostante come onda elettromagnetica (antenna trasmittente) oppure assorbire energia da un'onda elettromagnetica che le investe e generare una tensione agli stessi capi (antenna ricevente). In linea di principio la stessa antenna può fare entrambe le cose, ma in genere si sceglie la forma dell'antenna in modo tale che sia privilegiata una delle due funzioni.

Sempre in linea di principio, qualunque oggetto conduttore si comporta da antenna, qualunque sia la frequenza dell'onda elettromagnetica che lo colpisce o del segnale con cui (eventualmente) venisse alimentato: ma in pratica l'entità del fenomeno in queste condizioni casuali è infinitesima e del tutto trascurabile. Diventa significativo quando la frequenza elettromagnetica in gioco corrisponde alla frequenza di risonanza elettromagnetica dell'oggetto e quanto più l'oggetto stesso è un buon conduttore elettrico: in questo caso le tensioni in uscita dall'antenna (o il campo elettromagnetico generato) sono utilizzabili praticamente per la ricezione e trasmissione radio.

Quindi, volendo cercare una buona antenna ci orienteremo verso un oggetto metallico; per la forma, ovviamente ci interessa che sia il più possibile semplice. La più semplice e pratica di tutte è un pezzo di filo teso orizzontalmente: il dipolo elettrico. Questa antenna è semplice anche in senso matematico e può essere studiata dal punto di vista teorico senza ricorrere alla forma completa delle equazioni di Maxwell sull'elettromagnetismo; inoltre, proprio perché tanto semplice e facile da costruire, misurare e accordare, viene usata spesso come termine di paragone per tutte le altre antenne.

Indice

1 Caratteristiche delle antenne
2 Antenne lineari
- 2.1 Dipolo elettrico
  - 2.1.1 Dipolo a ¼ d'onda (verticale)
  - 2.1.2 Spira elettrica (dipolo magnetico)
3 Antenne ad array
4 Origine del termine "antenna"
5 Voci correlate
6 Collegamenti esterni

[modifica] Caratteristiche delle antenne

[modifica] Guadagno e direttività

Guadagno (amplificazione), apertura e diagramma di radiazione sono strettamente connessi. Il guadagno è misurato per confronto tra l'antenna considerata e un'antenna di riferimento, generalmente un'antenna isotropa (cioè che irradia egualmente in tutte le direzioni). Spesso come riferimento si usa il dipolo perché una sorgente isotropa è un'idealizzazione e non può essere praticamente realizzata, ma ha un guadagno di 2,1 dB rispetto ad una sorgente isotropa. La maggior parte delle antenne reali irradiano più di un'antenna isotropa in alcune direzioni e meno in altre. Il guadagno è intrinsecamente direzionale; esso è solitamente misurato nella direzione in cui l'antenna ha la massima emissione. Il guadagno è ad una dimensione.

Esempio di diagramma di radiazione di un'antenna

L'apertura è la forma della sezione trasversale nella direzione del massimo guadagno e ha quindi due dimensioni. (talvolta l'apertura è espressa come raggio del cerchio che approssima questa sezione trasversale o l'angolo del cono).

Il diagramma di radiazione è la rappresentazione tridimensionale del guadagno, ma solitamente si preferisce più comodamente considerare i diagrammi di sezioni orizzontali e verticali. Antenne ad alto guadagno solitamente presentano dei lobi laterali. Essi rappresentano dei picchi minori del guadagno rispetto al lobo principale (il "fascio"). Questi lobi laterali limitano la qualità dell'antenna se questa è usata in sistemi in cui si deve determinare la direzione del segnale, come ad esempio nei sistemi radar. Nella figura è rappresentato un diagramma di radiazione a due dimensioni (che potrebbe rappresentare una sezione verticale o una sezione orizzontale dello spettro di emissione). In rosso è rappresentato il fascio (main lobe) e, in blu, i lobi laterali (side lobe).

[modifica] Resistenza di radiazione

Di una qualsiasi antenna è possibile calcolare la potenza irradiata integrando il vettore di Poynting (densità di potenza elettrica) $S = E x H *$ su una superficie chiusa che contiene l'antenna. La resistenza di radiazione ( $R r a d$ ) è un parametro equivalente tale che, applicando ai morsetti dell'antenna una tensione sinusoidale di valore efficace V (cioè $\frac{V}{\sqrt 2}sin(\omega t)$ ), la potenza irradiata risulta:
$P_{rad}=\frac{V^{2}}{R_{rad}}$ .
È possibile equivalentemente calcolare la potenza dissipata dall'antenna ( $P d i s s$ ) come la differenza tra la potenza effettivamente assorbita ai morsetti e la potenza irradiata $P r a d$ . Esattamente come è stato fatto precedentemente, è possibile definire una resistenza di perdita tale che
$P_{diss}=\frac{V^{2}}{R_{diss}}$ .
Abbiamo ottenuto in questo modo un equivalente circuitale dell'antenna costituito dalla serie di due resistenze; la potenza dissipata su queste resistenze rappresenta quella trasformata nei fenomeni di irraggiamento e dissipazione. Nel caso in cui l'antenna non sia risonante nell'equivalente andrà aggiunta una reattanza di valore appropriato.

[modifica] Impedenza caratteristica

L'impedenza caratteristica di un'antenna (o impedenza in ingresso all'antenna) è l'impedenza che un'antenna presenta ai suoi terminali. Ogni tipo di antenna ha la sua impedenza caratteristica che è necessario conoscere per poterla adattare alla linea di trasmissione, cioè fare in modo che l'onda che si propaga venga completamente trasmessa e non riflessa.

Il coefficiente di riflessione $Γ$ ci dà una misura della quantità di onda che torna verso il generatore. Per linee di trasmissione in generale questa quantità è definita nel seguente modo (assunto che il verso di propagazione dell'onda sia lungo la coordinata $z$ ):

$\Gamma(z) = \frac{V^+(z)}{V^-(z)}$

dove $V + (z)$ e $V - (z)$ rappresentano rispettivamente l'onda di tensione progressiva e regressiva.

Se indichiamo con $Z A$ l'impedenza in ingresso all'antenna e con $Z C$ l'impedenza caratteristica della linea possiamo definire il coefficiente di riflessione come

$\Gamma = \frac{Z_A - Z_C}{Z_A + Z_C}$

Nel caso in cui l'antenna sia adattata alla linea $Γ$ assume valore nullo. In tutti gli altri casi si dice che l'antenna è disadattata. In particolare sono importanti i due valori limite del coefficiente di riflessione:

$Γ = 1$ indica un circuito aperto ( $Z A$ tendente all'infinito)
$Γ = - 1$ indica un corto circuito ( $Z A = 0$ )

In maniera del tutto analoga è possibile definire il Rapporto d'Onda Stazionaria (ROS) o, in inglese, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). Se assumiamo $z$ come verso di propagazione dell'onda in linea e indichiamo con $V(z) \in \mathbb{C}$ la tensione dell'onda al variare della coordinata spaziale, possiamo definire il ROS come

$ROS = \frac{\begin{smallmatrix}\operatorname{max}\\z\end{smallmatrix}\left|V(z)\right|} {\begin{smallmatrix}\operatorname{min}\\z\end{smallmatrix}\left|V(z)\right|}$

Esplicitando $V (z)$ come somma dei fenomeni propagativi progressivo e regressivo, cioè $V (z) = V + (z) + V - (z)$ possiamo riscrivere il rapporto di cui sopra nel seguente modo:

$ROS = \frac{|V^+(z)| + |V^-(z)|}{|V^+(z)| - |V^-(z)|} = \frac{1+|\Gamma(z)|}{1-|\Gamma(z)|}$

Per come è definito questo parametro si può concludere che:

$ROS \in \mathbb{R}$
$ROS \ge 1$

Tale rapporto non è altro che il rapporto tra l'impedenza dell'antenna e quella del cavo, mettendo sempre al numeratore l'impedenza maggiore. In pratica:

$ROS = \begin{cases} \frac{Z_A}{Z_C} & \mbox{se }Z_A > Z_C\\ \frac{Z_C}{Z_A} & \mbox{se }Z_A < Z_C\\ \end{cases}$

Per esempio, un dipolo aperto con impedenza pari a 72 Ohm su un cavo da 50 Ohm presenta un ROS di 72/50 = 1.44. Lo stesso ROS si ottiene collegando allo stesso cavo un'antenna che abbia un'impedenza caratteristica di 34.7 Ohm. Il ROS si misura col Rosmetro e non dovrebbe mai superare il valore di 3 per non generare sul trasmettitore tensioni dannose per la componentistica. Alcune impedenze caratteristiche:

Dipolo aperto 72 Ohm
Dipolo chiuso 300 Ohm
Ground plane (120 gradi)50 Ohm
Inverted V (60 gradi) 50 Ohm
Marconi 1/2 onda (presa calcolata) con discesa ad 1/7 dal centro 600 Ohm

L'impedenza caratteristica di un'antenna si può agevolmente adattare al cavo mediante l'uso di appositi trasformatori di impedenza (Vedi anche balun) che possono essere costituiti da tratti di linea risonanti con la frequenza caratteristica dell'antenna o spostando l'attacco della linea di discesa dal centro dell'antenna stessa. In fondo, anche un'antenna risonante non è altro che un trasformatore d'impedenza che adatta l'impedenza di uscita di un trasmettitore o di un ricevitore (molto spesso 50 ohm) con quella dello spazio (tipica 377 ohm)

[modifica] Antenne lineari

[modifica] Dipolo elettrico

È costituita da due spezzoni di cavo elettrico, la cui lunghezza è ¼ d'onda ciascuna. La lunghezza totale del dipolo è quindi di ½ onda. Nel caso dei 10 m la lunghezza teorica del dipolo è di 5 m. Date le lunghezze di questi tipi di antenna, i dipoli sono normalmente disposti orizzontalmente al terreno o a formare una V invertita con un angolo di circa 60°, in quest'ultimo caso il dipolo presenta un'impedenza di circa 50 ohm (adatta ad un tipico cavo coassiale) e una maggiore omnidirezionalità rispetto al dipolo steso in orizzontale che irradia principalmente in sole 2 direzioni.

[modifica] Dipolo a ¼ d'onda (verticale)

L'antenna verticale è composta da un solo elemento, verticale, la cui lunghezza d'onda è ¼ d'onda. L'antenna verticale a differenza del dipolo ha bisogno di un piano di terra, cioè di un "piano" riflettente, in modo da risultare per il trasmettitore o per il ricevitore come un elemento doppio. La sua impedenza caratteristica varia da 37 ohm per i piani di terra a 90 gradi rispetto all'elemento radiante a 72 ohm se l'angolo fosse 180 gradi. Normalmente si inclinano i piani rerra di circa 120 gradi rispetto all'elemento radiante per avere un'impedenza caratteristica di 50 ohm, adatta per connettere l'antenna ai cavi coassiali normalmente in uso.

[modifica] Spira elettrica (dipolo magnetico)

[modifica] Antenne ad array

Un array di antenne è, per definizione, un insieme di antenne tutte identiche, disposte linearmente (su una linea) o planarmente (su un piano), equi-orientate, alimentate in generale con ampiezza e fase distinte per ogni elemento dell'array. Il vantaggio di usare una schiera (array, appunto) di antenne sta nella possibilità di ottenere un diagramma di radiazione configurabile quasi a piacere, variando le ampiezze e le fasi delle singole antenne componenti. Inoltre è possibile progettare array per ottenere lobi principali e loro nulli in posizioni desiderate. Esistono anche array programmabili, in grado cioè di modificare il loro diagramma di radiazione modificando l'alimentazione degli elementi che lo compongono. Il loro uso è particolarmente diffuso nelle applicazioni spaziali dove spostare fisicamente un'antenna o un array di antenne è un azione spesso impraticabile.

Non è detto, in linea di principio, che ogni antenna dell'array debba essere alimentata: le antenne Yagi (per esempio quelle della televisione analogica UHF, presenti su ogni tetto d'europa) sono un caso particolare di antenna ad array, in cui viene alimentata una sola antenna dell'array e le altre sono tutte cortocircuitate.

[modifica] Origine del termine "antenna"

La parola "antenna" che oggi usiamo così comunemente proviene dai primi esperimenti di Guglielmo Marconi. Deriva infatti dalla stessa parola marinaresca che indica il lungo palo, trasverso rispetto all'albero, che sostiene in alto la vela quadra o latina.
L'estensione dal significato originale è dovuta allo stesso Marconi (il cui padre desiderava per lui una carriera in Marina) quando osservò che, appendendo uno dei due terminali dell'oscillatore (all'epoca un cubo o una sfera di ferro stagnato) su un alto palo (appunto una "antenna"), i segnali trasmessi (e ricevuti) potevano coprire distanze molto maggiori. Iniziò così, in contrapposizione al "terminale a terra", a indicare quello in alto come "(terminale) antenna".

[modifica] Voci correlate

[modifica] Collegamenti esterni

EMC e Propagazione Onde Elettromagnetiche Le trasmissioni a Radiofrequenza: Relazioni intercorrenti tra la potenza irradiata e l'intensità del campo elettromagnetico (EMC) risultante.

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